光纤剖面光谱仪硬件研发15页+附录

1、第二章光纤剖面光谱仪硬件研发2.1主要设计思想2. 1. 1核心部件：1、本实验室配有一台用于测量外表光谱的GER1500便携式光谱仪，详细参数见表3：表3 GER1500光谱仪详细参数产地主要用 途光谱范围(nm)波段数光谱分辨率(nm)积分速度(ms)视场角 (° FOV内存美国野外350105051235604、8最大可存储483个数据2、南京春辉科技实业提供的光纤，详细参数见表 4: 表4光纤详细参数光纤种类规格芯径数值孔径长度其它石英光纤PCS光纤0.6mm0. 3715m两端SMA端子3、向安徽光激所采购了可见光波段范围内反射率均接近100%勺漫反射板。2. 1. 2通过

2、光纤采集水下信号:如图1所示，通过硬质连杆使浮子系统远离船体(无阴影一侧)，光 纤一端接入外表光谱仪，另一端经过硬质连杆进入水下，水下探头局部所 采集的光信号通过光纤传到船上的光谱仪中，从而实现水下剖面光谱测 量。水下剖面仪一般需要一个带有防水罩的电子余弦积分器，我们通过接 入一根光纤省掉了这个复杂的电子余弦积分器。测量上行光信号时，上行 光通过光纤探头直接进入外表光谱仪。见图 2:图2光纤探头水下测量示意图2. 1. 3通过漫反射板实现下行光测量：我们通过加装一块反射率为100%勺漫反射板来实现下行光的测量，如 图所示：图3加装漫反射板实现下行光测量the plaque即pears dirt

3、y?加装一块在空气中反射率为100%勺漫反射板在光纤探头下方1cm处，这样,理论上讲下行光照到白板上后，会实现向上100%8反射，其中有一定角度范围内的光将进入光纤探头，而由漫反射板某一角度内的辐射率，可以推出整个半球 面内的向下辐照度。由此实现了下行光的测量。为了保证不受太阳耀斑的影响， 我们将光纤探头与竖直方向倾斜 30度，由于漫反射板的反射光是均匀地朝向整 个半球面的，所以不会影响采集光信号的正确性。2. 2设计的难点及解决方法：2. 2. 1深度控制：为了精确指示水下探头测量时的深度，我们从北京昆仑海岸传感技术中心购置了电缆连接液位变送器以下简称液位计，液位计主要参数见表5：:表5液位

4、计参数工程厂家名北京昆仑海岸传感技术中心型号JYB-KB-LVD量程10m供电电压24VDC输出信号1-5V RS232 串口输出准确度A<± 0.25 %F S环境温度0-50 °C负载能力> 3KQ 电压输出特点激光调阴温度补偿，使用温域宽进口扩散硅芯片，长期稳定性好 防浪涌电压，极性反向保护 搞干扰设计，适合恶劣使用环境 功耗低，迟滞误差 投入式设计，使用简单 全密圭寸外壳，平安可靠 可配液晶型，指针型显示表头 保护电缆连接防爆等级：Exia II CT6Exib II BT4用途可用于水厂、污水处理厂、城市供水、高楼水池、水井、矿井、工业水池、水罐、油池

5、、油罐、水文地质、水库、河道、海洋等场所2. 2. 2光纤接入光谱仪接头：所选用的PCS光纤芯径大、数值孔径大也就是出射入射光开角大，所 以在光纤可以输出足够大范围的信号到光谱仪的接收端。但根据光纤耦合的要求，光纤头应尽量靠近光谱仪，以减少光信号损失，所以，并不是光斑照 到光谱仪接收端就可以了，而是要在光斑完全覆盖光谱仪信号米集端的前提 下，光纤尽可能地接近光谱仪光栅，由于 GER公司没有适宜的配件，所以 自行加工一个接头，连接光纤与光谱仪。光纤输出端为 SMA端子，光谱仪 入射端为一非标准的内螺纹孔，所以加工一个全部外螺纹的接头如图1所示，两端尺寸一端适合光纤的SMA端子，另一端适合光谱仪的

6、入射端非标 螺纹，中间为中空，中空直径与光纤头直径相匹配，在接头材料的选择上， 考虑不锈钢在海上仍然会生锈，且硬度过大，与两端很难旋合紧，所以采用 纯黑色塑钢同时纯黑色可以防止接头内部反射对光纤信号造成污染。当两 端都旋紧时，可以实现光纤与光谱仪的最正确耦合，此时光纤探头与光谱仪接 收端距离最近且不漏光。图4光纤与光谱仪接头2. 2. 3实现漫反射板自动切换利用减速齿轮马达转速低、旋转力量大的特性，在减速齿轮马达的转轴上装一连杆，将漫反射板以与转轴相切的方向固定于连杆上，见图5。这样，当减速齿轮马达接入电源时，漫反射板可以实现水平面内做圆周旋转， 实现漫反射板在 光纤前自动切换的目的，并且，反

7、向通电时，因为马达是直流电机，所以可以实 现逆向回转，这样通过使用时间继电器控制马达的通电时间和电流方向，可以实现白板在一定范围、一定角度内的在光纤探头前自由切入、 切出。考虑在水下使 用，加工一个罩子罩在马达外面，转轴处安装水封，确保马达在水下工作时不会 进水。图5减速齿轮马达与白板2. 2. 4 0m海基准面的控制在海上做实验时，实际上船的摆动是不与大海完全同步的，也就是说，放光 纤出去，光纤探头总是在水下随着波浪上下起伏，而我们的设计方案就决定 了我们不可能在同一时间同时测量上行光和下行光，这样就有可能导致上行 光和下行光测量并不是在同一个水深上。为了实现测量时测量水层的相对深 度不变，

8、我们自己加工了一套浮子系统，浮子随海面上下漂动，即浮子为Om 层，以浮子为基准向下释放时可以实现测量层与Om层的深度变化尽可能小0.03m，从而实现高深度精度分辨率0.1m的目的。综合考虑了各方面的要求，浮子系统主要连接局部由8mm实心不锈钢制成，这样虽然在重量有会有所增加，但不锈钢硬度、强度大，可以尽可能地使三 个浮子远离中心以免造成阴影影响，同时又不会因为具有弹性太大而导致失去Om的指示作用。中间连接处制成“ U型，以便尽可能地减小自阴影，每支脚长度0.6m,支脚和浮球都可拆卸折叠，方便携带。图6浮子系统2. 2. 5水下探头角度控制水下光谱测量，必须始终指向同一水平方向，且不能受到自阴影

9、的干扰， 为了保证光纤探头指向确实定性及不被自己的阴影覆盖，就必须保证光纤探头在水平方向上的分量始终指向与太阳入射方向垂直的方向。因为海水是运动着，所以我们在中轴线上加一横向伸出的横杆， 横杆上加装一面方 向可调的小舵，由于水流的冲击，使舵总是指向流的运动方向，见图7。因此通过调整舵与光纤探头的夹角，就可以实现光纤探头总是指向同一方 向，虽然流向，太阳入射方向，自阴影方向三者并不好协调，但总可以找 到一个适宜的角度来满足以上要求。图7加装尾舵实现水下角度控制2. 2. 6水下探头姿态控制由于水下局部光纤及电缆较轻，所以只要在水下探头局部适当地加一点配 重就可以保证水下探头局部在水下始终处于竖直

10、状态。事实上，本构架全部采用6mm的不锈钢制作，经实地实验，在不加配重的情况下，除较强 的流外，水下探头局部与竖直方向夹角小于 10度。2. 2. 7水下光纤探头限定入射角在厂家订购光纤时，同时定购了一镜头配件，用于限定入射光纤探头的视 场角，但由于镜头不防水，故我利用针筒在镜头内部注入纯洁水以平衡内 外压强，并用黑色玻璃胶将可能漏水局部堵牢以实现防水功能。由于注水后镜头内部折射率发生变化，故重新调整凸透镜与光纤探头的距离，使外 界平行光入射透镜后，会聚于光纤探头一点。通过这些调整，简单实现了 防水镜头，在同为采集平行光信号的情况下，镜头起了增大信号的作用。2. 2. 8漫反射板的选择根据安徽

11、光激所的信息，反射率较小的漫反射灰板一般是在外表均匀涂撒 黑色炭粉，以实现反射率降低，但这种结构无法保证屡次下水后仍保持相 同的反射率，而100%反射率的漫反射板由特殊材料一气制成，不存在不 能入水的问题，而且每次入水后用高压淡水进行冲洗后，可屡次重复使用，并能保证反射率不发生变化，所以最终选定 100%反射率的漫反射板。2. 2. 9天空光变化加拿大Satlantic公司生产的水下光谱仪SPMR还配有一个外表辐射仪SMSR,当SPMR在水下工作时SMSR同步测量水面上的天空光变化 情况，我们假定在短时间内3分钟内，天空稳定，故而舍弃掉同步测 量水面上天空光信号局部，因些也就限定了本套剖面光谱

12、仪必须在天空光 稳定的条件下才可正常使用。2. 2. 10光纤选择水体入射光谱中只有可见光400nm-760nn才透射入水，其它波段的入 射光或被大气吸收或被海水表层吸收 3小结PCS光纤售价约为50元/米，漫反射板约所花费1000元，液位计带串口输 出约花费1200元，GER1500光谱仪的购置在2002年花费了不到20万元，部 件材料及加工费用小于500元，且制造容易，一般的加工车间均可制作，由此可 以看出，整套设备所需花费小于 20万元外表光谱仪、液位计、漫反射板等产,所以中选取能够应用于水体光谱 测量的光纤时必须主要考虑其在 400nm-760nn波段内的表现。光纤领域内 常见的通讯光

13、纤芯径小，导致其在水下可接收的入射辐射通量 F，瓦特 往往低于外表光谱仪CCD勺检测下限，因此必须选择特种光纤。我们主要 对两种石英光纤、以及不同芯径的光纤对水体光谱测量的影响进行比拟。通过对水体光谱的实地测量，发现芯径 0.6mm数值孔径NA0.37的PCS 光纤，在对水体而言关键的350-550nm之间损耗较小，相对于镜头测量值 曲线相似性较好，光纤接入光谱仪的实测值能够到达原配 4度视场角镜头 测量值的20%,而0.4mm的PCS光纤以及大芯径光纤，分别只能到达镜头 测量值的15唏口 5% 10m长度的0.6mm芯径PCS光纤弯折后半径30cm 仍能够到达镜头信号的15%可以符合光谱测量的要求。详见附录 1。2. 2. 8数据因为得到数据后我们所关心的水下反射率 R、漫衰减系数K在计算时都除以 了角度，均为相对值，所以不需要再对数据进行校正。品繁多，可根据自己需要选购其他公司产品，价格可调整，相对于动辄百万的大型剖面光谱仪而言具有较高的性价比。it is not fair to compare the en tire systemwith the commercial profiler, because the only extra cost c